СТРУЙНЫЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК F04F5/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может применяться в любых отраслях народного хозяйства для нагревания жидкости паром, вводимым в поток жидкости, это, в частности, системы теплоснабжения, горячего водоснабжения и водоподготовки.

Для нагревания жидкости паром известны струйные аппараты классической схемы, описанные, например, в книге Соколова Е.Я. и Зингера Н.М. "Струйные аппараты", Изд. 2-е, М., "Энергия", 1970 г. Работа аппаратов основана на явлении эжекции затопленной струей рабочей среды (жидкости или пара) пассивной среды (тоже жидкости или пара). Например, на страницах 251-270 описан смешивающий струйный подогреватель воды, рабочей средой в котором является вода, а инжектируемой - пар, который при конденсации нагревает воду. Подогреватель состоит из активного сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора.

Известен также целый класс изобретений, усовершенствующих работу струйных аппаратов, например: п.2125187, кл. 6 F 04 F 5/02; а.с. 1044839, кл. F 04 F 5/14; п.п.2041404, 2046220, 2061912, 2059893, 2059894, кл. 6 F 04 F 5/4; п.1809671-1809673, 1806296-1806300, кл. 5 F 04 F 5/4.

Достоинством таких устройств является простота конструкции, а также несложность изготовления.

Но все эти устройства неприменимы при больших расходах пара, когда в водяной магистрали формируется крупномасштабная двухфазная структура течения с паровыми включениями, близкими к размерам трубы, и поток чередуется паровыми и жидкостными пробками, вызывающими гидравлические удары и вибрационное воздействие на трубопроводные системы, что недопустимо.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является патент РФ №2198323 C2, кл. 7 F 04 F 5/08, приоритет 21.06.2000 г., опубликован в бюл. №4 10.02.2003 года, принятый за прототип.

Взятое за прототип устройство для непрерывной подачи пара в водяную магистраль содержит активное сопло, в котором осуществляется разгон нагреваемой воды с понижением давления и приемную камеру. Устройство снабжено цилиндрической камерой предварительного смешения пара с водой, разделенной по поперечному сечению сплошной перегородкой на два объема, первый из которых сообщен трубопроводом с регулируемым вентилем с входной частью активного сопла, а второй объем сообщен посредством перфорированной трубы, пропущенной через первый объем, с источником пара, при этом в перегородке установлены струйные форсунки, а параллельно ей - рассекатель в виде кольцевого диска. Нагреваемая жидкость из входной части активного сопла по трубопроводу с регулирующим вентилем подается в первый объем камеры предварительного смешения, проходя через струйные форсунки жидкость превращается в дисперсную среду, которая дополнительно разбивается об кольцевой диск (рассекатель) и перемешивается с потоком пара с образованием пароводяной смеси, подаваемой в приемную камеру, в которой сформирована зона разрежения.

Достоинством прототипа является возможность перехода от крупномасштабной структуры течения пароводяной смеси на выходе из устройства к мелкомасштабной путем предварительной подготовки пара перед вводом его в поток воды. Тем самым исключаются гидравлические удары и вибрации в трубопроводных системах при работе подогревателя.

Недостатком прототипа являются сложность его конструкции. Другим недостатком является невозможность регулирования давления в зоне разрежения, формируемой истечением воды из активного сопла, что является необходимым при работе подогревателя на повышенных по сравнению с расчетными расходах воды, при которых возможна кавитация проточного тракта и рост гидравлического сопротивления подогревателя.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков прототипа: упрощение конструкции подогревателя, а также расширение его эксплуатационных возможностей путем регулирования давления в зоне разрежения.

Для достижения цели изобретения в известном струйном подогревателе жидкости, содержащем активное сопло, приемную камеру, цилиндрическую камеру предварительного смешения пара с жидкостью с патрубками подвода пара и жидкости, в нем на внутренней поверхности камеры предварительного смешения пара и жидкости установлен генератор вихря в виде коллектора с соплами, соединенный с патрубком подвода жидкости. Генератор вихря установлен относительно патрубка подвода пара на расстоянии, определяемом из формулы:

где R - радиус рабочей кромки генератора вихря;

r - внутренний радиус патрубка подвода пара;

α - угол раскрытия паровой струи при истечении из патрубка подвода пара в камеру предварительного смешения, определяемый из газодинамических расчетов.

Кроме того, входная часть активного сопла соединена трубопроводом с регулирующими вентилями с выходной частью подогревателя и с патрубком подвода жидкости к генератору вихря.

Конструкция струйного подогревателя жидкости поясняется чертежом общего вида.

В состав подогревателя входит активное сопло 1, выполненное в виде конфузора, на вход которого осуществляется подача нагреваемой жидкости, приемной камеры 2, выходной части подогревателя 3 (выполняющая роль отводящей магистрали нагретой жидкости). К приемной камере прикреплен цилиндрический корпус камеры предварительного смешения 4 пара с жидкостью. Внутри камеры предварительного смешения 4 установлен генератор вихря 5, выполненный в виде коллектора цилиндрической или тороидальной формы. В коллекторе образованы сопла 6, 7, 8 для подачи струй жидкости в вихревые зоны, образованные генератором вихря и струей пара, истекающей из патрубка 9 подвода пара. Для подвода жидкости к соплам коллектора служит патрубок 10 подвода жидкости, соединенный трубопроводами 11 и 12 через регулирующий вентиль 13 с входной частью активного сопла. Входная часть активного сопла может также сообщаться с выходной частью подогревателя посредством трубопровода 12 и регулирующего вентиля 14.

Работа подогревателя осуществляется следующим образом. Вода под давлением поступает на вход в активное сопло 1. Разгоняясь в сопле до определенных скоростей, понижает статическое давление в приемной камере до значений, меньших, чем давление пара. Пар подают через подводящий патрубок 9. Паровая струя, истекая из патрубка 9 в камеру предварительного смешения 4 образует две вихревые зоны: первая вихревая зона 15 образуется в результате внезапного расширения поперечного сечения канала от диаметра патрубка 9 подвода пара до диаметра камеры предварительного смешения 4. Другая вихревая зона 16 образуется в результате отрыва потока пара за генератором вихря на рабочей кромке 17 генератора вихря (коллектора) 5. Расположение и геометрические размеры генератора вихря выбираются для возможности реализации таких течений и вычисляются по формуле (1). Жидкость из входной части активного сопла (давление жидкости во входной части сопла больше давления пара) по трубопроводу 12 с регулирующим вентилем 13 по патрубку 10 поступает в коллектор 5. Из коллектора жидкость подается в виде струй: вертикально вверх через сопла 6 в вихревую зону 15; через сопла 8 вертикально вниз в вихревую зону 16 за генератором вихря 5; через сопла 7 к поверхности паровой струи (внешняя граница паровой струи показана пунктирной линией). В вихревых зонах и в струе происходит интенсивный тепломассообмен пара и жидкости, охлаждение пара, его частичная конденсация. Образуемая в результате перемешивания парожидкостная смесь подается в зону разрежения приемной камеры 2, где, конденсируясь на струе жидкости, вытекающей из активного сопла, нагревает текущий поток жидкости без гидравлических ударов и вибраций.

Для регулирования давления разрежения в приемной камере 2 осуществляют перепуск части нагреваемой жидкости в обход активного сопла по трубопроводу 12 через вентиль 14. В связи с изменением расхода жидкости, пропускаемой через активное сопло, согласно уравнению неразрывности будет изменяться скорость на срезе активного сопла, а следовательно, и статическое давление в зоне разрежения, определяемое из интеграла Бернулли. Тем самым обеспечивается стабильная работа подогревателя без кавитации и расширяется диапазон возможных расходов жидкости. Регулирование давления в зоне разрежения и расхода жидкости, подаваемого в камеру предварительного смешения, осуществляют изменением проходных сечений регулирующих вентилей 14 или 13.

Признаками изобретения являются:

- активное сопло;

- приемная камера;

- цилиндрическая камера предварительного смешения пара и жидкости с патрубками подвода пара и жидкости;

- на внутренней поверхности камеры предварительного смешения установлен генератор вихря;

- генератор вихря выполнен в виде коллектора с соплами;

- коллектор соединен с патрубком подвода жидкости;

- генератор вихря установлен относительно патрубка подвода пара на расстоянии, определяемом из соотношения:

L=(R-r)/tg(α/2); R/r>1,0;

где R - радиус рабочей кромки генератора вихря;

r - внутренний радиус патрубка подвода пара;

α - угол раскрытия паровой струи при истечении из патрубка подвода пара в камеру предварительного смешения;

- входная часть активного сопла соединена трубопроводом с регулирующим вентилем с выходной частью подогревателя;

- входная часть активного сопла соединена трубопроводом с регулирующим вентилем с патрубком подвода жидкости к генератору вихря.

Признаки "активное сопло, приемная камера, камера предварительного смешения пара и жидкости с патрубками подвода пара и жидкости" - общие, остальные - отличительные.

Таким образом, предлагаемый подогреватель обладает изобретательским уровнем, так как совокупность существенных признаков данного устройства обуславливает новое свойство, дающее требуемый технический эффект: упрощает конструкцию подогревателя и расширяет эксплуатационные возможности подогревателя.

Для водяной трубопроводной системы с условным диаметром 200 мм, с расходом воды 200 т/ч, давлении воды 5-5,5 ати, давлении пара 4-5 ати, расходе пара 10,9 т/ч был спроектирован и изготовлен в соответствии с предлагаемым изобретением струйный подогреватель, подтвердивший свою работоспособность и эффективность.

Подогреватель предназначен для нагрева жидкости паром. Струйный подогреватель жидкости содержит активное сопло, приемную камеру, камеру предварительного смешения с патрубками подвода пара и воды, внутри которой установлен генератор вихря в виде коллектора с соплами, соединенный с патрубками подвода воды. Рабочая кромка генератора вихря установлена на расстоянии от патрубка подвода пара, определяемом по формуле: L=(R-r)/tg(α/2), где R - радиус рабочей кромки генератора вихрей; r - внутренний радиус патрубка подвода пара; α - угол раскрытия паровой струи. Входная часть сопла соединена трубопроводами с вентилями с выходной частью подогревателя и генератором вихря. Технический результат: упрощение конструкции и расширение эксплуатационных возможностей струйного подогревателя жидкости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Струйный подогреватель жидкости, содержащий активное сопло, приемную камеру, цилиндрическую камеру предварительного смешения пара и жидкости с патрубками подвода пара и жидкости, отличающийся тем, что на внутренней поверхности камеры предварительного смешения установлен генератор вихря в виде коллектора с соплами, соединенный с патрубками подвода жидкости.2. Струйный подогреватель жидкости по п.1, отличающийся тем, что генератор вихря установлен относительно патрубка подвода пара на расстоянии, определяемом из соотношения

где R - радиус рабочей кромки генератора вихря;

r - внутренний радиус патрубка подвода пара;

α - угол раскрытия паровой струи при истечении из патрубка подвода пара в камеру предварительного смешения.